气流式吹扫液相微萃取

杨翠, 张永峰, 任春燕, 李秀花, 李东浩

(长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室(延边大学),吉林延吉133002)

气流式吹扫液相微萃取

杨翠, 张永峰, 任春燕, 李秀花, 李东浩＊

(长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室(延边大学),吉林延吉133002)

在现代分析技术开发中,简便、快速并且环境友好的样品前处理技术受到科技工作者的广泛关注.目前,分析技术的发展趋向于多步骤的一体化、多技术的联用和集成化、自动化、在线化等等.气流式吹扫液相微萃取技术具备了快速、操作简单、完全萃取、使用少量样品和有机溶剂等优点,可完成挥发性、半挥发性成分的同时萃取,实现了萃取和精制的一体化.本文探讨了气流式吹扫液相微萃取技术的组成结构、发展过程和应用前景.

吹扫;微萃取;样品前处理;色谱分析;一体化

0 引言

样品分析的整个过程,特别是复杂样品分析过程基本可分为两大类:样品前处理和仪器分析[1].近十年仪器分析技术得到迅速发展,已经达到了一体化(如进样、分离、检测、数据处理等)、自动化、多技术的联用化、在线化、快速化等现代分析技术要求.然而对复杂样品分析而言,因为样品前处理技术中存在许多问题,影响了现代分析仪器功能的发挥.为了完成复杂样品的快速处理,多步骤的一体化、多技术的联用和集成化、自动化、在线化的样品前处理技术受到国内外研究者们的高度重视[2].

基于液液萃取原理,1996年,Jeannot等[3]利用悬挂于微注射器针尖上的一滴有机溶剂,开发了液相微萃取技术(LPME).这种技术仅利用几微升溶剂即可完成样品的萃取、精制、浓缩等多步骤的一体化.同时,LPME可与 GC-MS、LC-MS/

UV和CE-MS/UV等分离检测技术联用.LPME技术可分类为浸入式液相微萃取(D I-LPME)和顶空式液相微萃取(HS-LPME),其中 HS-LPME技术已经被广泛应用于环境[4]、生物[5]、食品[6]等各个领域.为提高 HS-LPME的富集率,一系列的微萃取技术被开发,如中空纤维液相微萃取技术(HF-LPME)[7]、微波辅助顶空单滴微萃取技术[8]等.在大多数情况下,当萃取达到动态平衡时,这些技术的富集率最高.

为实现顶空微萃取技术的完全萃取,杨翠等[9]在2009年开发了一种气流式吹扫液相微萃取技术.本文在介绍气流式吹扫液相微萃取技术的组成基础上,讨论气流式吹扫液相微萃取技术的发展过程,并对该技术的应用前景进行展望.

2 气流式吹扫液相微萃取技术工作系统的组成

气流式吹扫液相微萃取技术不同于传统液相微萃取技术,该技术的萃取体系被设计为开放体系.在该体系内,可以通过延长萃取时间增加萃取体系内气相的相对体积而最终达到完全富集的目的.气流式吹扫液相微萃取技术必须具备3个系统,即气路系统、气化系统和萃取系统.

气路系统:通过向萃取系统内引入惰性气体的方式提高了目标物的运动速度,即缩短了顶空相中目标物向萃取相的转移时间,从而加快了萃取速度.在气流式吹扫液相微萃取技术中,惰性气体有2个作用:一是防止不稳定(易氧化、易水解、热不稳定)物质的物理化学变化,确保未知样品中目标物的原始成分信息;二是通过延长萃取时间增加萃取体系内气相的相对体积,进而增加气相中目标物的绝对量.

气化系统:在顶空萃取技术中,为实现半挥发性目标物的完全萃取,必须实现目标物的气化,因此气化系统在该技术中是必不可少的.气化温度根据目标物的性质、实验目的等进行选择.

萃取系统:气流式吹扫液相微萃取技术是利用微量的萃取相(几微升或十几微升有机溶剂)实现萃取目的,萃取相的选择根据目标物的性质而定,理论依据是相似相容原理.

3 气流式吹扫液相微萃取技术的发展

3.1 气流式吹扫液相微萃取技术的理论基础

目前,被广泛应用的 HS-LPME技术的萃取体系为密闭体系(如图1A).为了提高富集率,一般采用的方法是提高样品基质温度和降低萃取相温度以及增大萃取相的表面积,但当样品温度提高时,萃取溶剂温度也间接被提高,不利于萃取过程;降低萃取相温度会消耗较大的财力,增加实验的成本;增大萃取相表面积可以增加萃取相中目标物的绝对量,但该方法一般会增大萃取相体积,因此降低萃取相中目标物的相对含量,不利于检测.由理想气体状态方程(PV=nRT)可知,气相中某一种物质的绝对量与气相中目标物的分压和体积密切相关,即可以通过增加气相中目标物的分压和气相体积的方式实现增加气相中某种物质绝对量的目的.然而对于复杂的样品基质,单独增加萃取体系内目标物的分压有一定难度,相对而言,增加萃取体系内气相体积的方式比较容易实现.为了增加气相的相对体积,一种开放式的萃取体系被提出[9],在该体系内,可以通过延长时间达到增加萃取体系内气相体积和气相内目标物绝对含量的目的,进而提高萃取技术的萃取率.

3.2 气流式顶空液相微萃取技术

工作原理:基于顶空液相微萃取技术开发的气流式顶空液相微萃取技术(GF-HS-LPME)与顶空液相微萃取技术相同,萃取过程是利用1～3 μL悬挂于微注射器针尖上的有机溶剂来实现;萃取之后,微液滴被抽回到注射器针筒内,再通过分析检测仪器(如 GC-MS,LC-UV,LC-MS等等)完成目标物的定性、定量分析(如图1B).

GF-HS-LPME和 HS-LPME的不同点:2种技术的萃取体系不同,GF-HS-LPME萃取体系被设计为开放体系,而 HS-LPME萃取体系为封闭体系;萃取相自身的蒸气压对萃取率的影响程度不同.由于 GF-HS-LPME萃取体系是开放体系,萃取相自身的蒸汽压对萃取率不会有明显影响,因此在确保操作简单、可行的基础上,GF-HSLPME选择萃取相时遵循相似相容原理.对于HS-LPME技术,萃取相自身的蒸汽压是影响萃取率的重要因素[10].在封闭体系内,萃取相蒸汽压越高,则气相内萃取相的分子数就越多,而在一定体积内能容纳的气体分子数是恒定的,如果萃取相的气体分子数增加,目标物的气体分子数就会降低,不利于目标物的萃取.而在 GF-HSLPME中,因萃取体系为开放体系,所以不涉及这一问题.

参数优化:在 GF-HS-LPME技术中,通过优化气体流速、气体出口管径、萃取溶剂相对气体出口管的位置、样品和萃取溶剂的温度、富集时间等参数提高目标物的富集率.对于固定的萃取溶剂,获得最佳富集率时,气体出口管径和萃取溶剂相对气体出口管的位置均是固定的,而且这2个量不随萃取体系温度的变化而变化.其它参数根据目标物性质、实验目的等确定.

存在的问题:GF-HS-LPME技术虽然实现了提高萃取率的目的(富集率比 HS-LPME提高了3～4倍)[9],但该技术仍然存在一些缺点,如萃取时间长(大于20min),操作困难(单滴萃取溶剂容易损失),定量分析存在一定难度(萃取过程为不完全萃取)等,因而限制了该技术的应用.

图1 (A)HS-LPME萃取装置图[3];(B)GF-HS-LPME萃取装置图[9];(C)GP-MSE萃取装置图[11]

3.3 气流式吹扫微注射器萃取技术

GP-MSE技术的产生:为了克服 GF-HSLPME技术的缺点[11],2011年杨翠等开发了气体吹扫微注射器萃取(GP-MSE)技术.该技术利用100μL的微量注射器针筒作为萃取相的支撑体和保护体,利用微量注射器针头隔离高温气化系统和低温溶剂富集系统.

GP-MSE的工作原理:在惰性气体的带动下,目标物随惰性气体通过微量注射器针头进入针筒内,该过程中,目标物被萃取相定量捕集,而惰性气体进入大气环境(如图1C).其原理与色谱的工作原理相似,不同之处在于:GP-MSE利用萃取溶剂代替色谱技术中的固定相,含有待测物质的惰性气体等同于色谱技术中的流动相.即GP-MSE技术的萃取过程是目标物在萃取相和气相中进行分配,最终实现萃取的目的.

GP-MSE技术中的工作参数的优化:在 GPMSE技术中,通过优化气体流速、样品和萃取相温度、萃取时间、萃取相性质和体积等参数实现液相微萃取技术的完全萃取.依据目标物性质、实验目的等选择最佳工作参数.

GP-MSE的技术优势:GP-MSE技术实现了顶空液相微萃取技术的完全萃取(萃取回收率为85%～107%),在较短时间内(小于2 m in)可同时萃取挥发性、半挥发性物质,达到与不挥发的物质的完全分离,而且该技术集萃取、精制、浓缩于一体[11].另外,该技术具有操作简单、经济、快速、容易定量等优点,有利于样品前处理技术与仪器分析的匹配.

4 结论和展望

气流式吹扫液相微萃取技术将萃取体系设计为开放或半开放体系,引入的惰性气体既可以增加气相的相对体积、加速目标物的运动速度,又可以保护不稳定目标物(易氧化、易水解、热不稳定).在较短时间内(小于2 min),GP-MSE在不同样品基质中能同时萃取挥发性、半挥发性物质,而且可达到目标物的完全萃取.

作为新型的萃取技术,GP-MSE技术在医学、代谢组学、食品化学、生物化学、环境科学等众多领域以及土壤、植物、水、大气等不同样品基质分析中将获得广泛应用.由于 GP-MSE技术具有简便、快速、准确等特点,所以在现场分析和实时分析方面也将拥有广泛的应用前景.

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Gas Purge Liquid Phase Microextraction

YANG Cui, ZHANG Yong-feng, REN Chun-yan, L IXiu-hua, L IDong hao＊
(KeyLaboratoryofNaturalResourceoftheChangbaiMountainandFunctionalMolecules(YanbianUniversity),MinistryofEducation,Yanji133002,China)

In modern analytical technology,the scientific community has pay close attention to simp ler,fast,and more environmental friendly samp le p retreatment techniques.The trends involve several techniques such as integration of multi-step,com bination and integration of multi-techniques,automation,on-line,and so on.Gas purge liquid phasemicroextraction has p rovided with many merits and functions,such as fast,easy to operate,quantitative extraction,require small amount of samp le and organic solvent,simultaneous extraction of volatile and semivolatile compounds,and integration of extraction and cleanup.This revie wfocused on fabrication,development,and app lication of gas flo wpurge liquid phasemicroextraction technique.

purge;microextraction;sam le p reparation;chromatogram analysis;integration

O656.31

A

1004-4353(2011)02-0111-04

2011-03-21

国家自然科学基金资助项目(21027009)

＊通信作者:李东浩(1965—),男,博士,教授,研究方向为有机分析.